單跨桁架拱橋病害分析與維修加固

摘 要：本文通過對某桁架拱橋現(xiàn)存病害成因及拱橋受力分析，提出維修加固設(shè)計(jì)方案，可為類似工程病害加固處理提供參考。

關(guān)鍵詞：單跨桁架拱橋；上弦桿；下弦桿；微彎板；裂縫；拱軸線

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.13.120

桁架拱橋是上世紀(jì)六十年代在雙曲拱橋基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種橋梁型式，因其具有工期短、施工工序少、人工省、自重輕、水平推力小、抗震性好、對軟土地基適用性好等優(yōu)點(diǎn)在國內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用[ 1]。目前上海市農(nóng)村橋梁中存在很多單跨桁架拱橋，這類橋梁由于設(shè)計(jì)和施工中存在的不足，又加之經(jīng)歷多年使用后，橋梁呈現(xiàn)出不同程度的病害。

1 工程概況

上海市某農(nóng)村橋?yàn)樨Q桿式桁架拱橋，上部結(jié)構(gòu)共有3榀桁架拱片，桁架拱片中心距為2.0m，上弦桿截面尺寸為0.25m×0.12m，下弦桿截面尺寸為0.6m×0.25m，豎桿截面尺寸為0.3m×0.25m。每榀下弦桿空腹段上方均設(shè)有12根豎桿，兩榀下弦桿間對應(yīng)豎桿位置上下各設(shè)有1榀橫系梁，下弦桿實(shí)腹段共設(shè)有9榀橫系梁。下部結(jié)構(gòu)采用組合式橋臺(tái)。橋面總寬為4.4m，橋?qū)挷贾脼椋?.2m欄桿基座+4m通行寬度+0.2m欄桿基座。兩端橋臺(tái)處均設(shè)簡易斷縫，橋面采用6cm厚的鋼筋混凝土鋪裝。

2 主要病害及拱軸線測量

2.1 上部結(jié)構(gòu)

（1）該橋桁架拱豎桿與上、下弦桿的連接節(jié)點(diǎn)處及上弦桿與實(shí)腹段交界處多處出現(xiàn)半環(huán)向裂縫（見圖1），裂縫寬度在0.1mm～0.4mm之間，部分裂縫寬度已超過《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》[2]規(guī)定的混凝土拱橋裂縫寬度限值0.3mm，這主要是由于桁架拱片無斜撐，每2根豎桿間即形成一個(gè)四邊形節(jié)間，而這樣的節(jié)間結(jié)構(gòu)其節(jié)點(diǎn)剛性較弱，因此使豎桿產(chǎn)生較大的附加彎矩，并且由于混凝土收縮、徐變及拱腳位移等更加大了豎桿與上、下弦桿連接處截面的附加彎矩，因而致使豎桿上、下部截面混凝土開裂。

（2）該橋桁架拱上弦桿上緣近豎桿多處出現(xiàn)豎向及橫向裂縫，其中1#上弦桿位于1-12#豎桿南側(cè)裂縫寬度達(dá)4mm，上弦桿已接近斷裂（見圖2）。其余上弦桿裂縫寬度在0.2mm～0.4mm之間，部分裂縫寬度已超過《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》[2]規(guī)定的混凝土拱橋裂縫寬度限值0.30mm。這是由于相鄰豎桿間中心距較大，在活載作用下，桁架拱上弦桿在近豎桿處產(chǎn)生負(fù)彎矩，在豎桿間受正彎矩作用，導(dǎo)致上弦桿出現(xiàn)裂縫。

（3）2-3-4#～5#橫梁間微彎板均有縱橋向裂縫，裂縫最大寬度為0.4mm，已超過《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》[2]規(guī)定的鋼筋混凝土梁主筋附近豎向裂縫允許最大寬度限值0.25mm，為典型的正彎矩裂縫。

2.2 橋面系及附屬結(jié)構(gòu)

（1）橋面鋪裝距0#橋臺(tái)和1#橋臺(tái)1.9m處均橫向開裂，裂縫對應(yīng)位置上弦桿已基本斷裂，此病害是由于臺(tái)背發(fā)生了沉降及轉(zhuǎn)動(dòng)，上弦桿與牛腿脫開，呈懸臂狀態(tài)，懸臂長度較大（約2m），截面尺寸小，配筋率低，在荷載作用下斷裂。

（2）其他病害：①兩端簡易斷縫填充物均缺失，且簡易斷縫縫寬過大，應(yīng)是兩端拱腳產(chǎn)生一定程度的位移，橋梁跨徑變大所致。②全橋橋面鋪裝露骨嚴(yán)重。

2.3 拱軸線測量

拱軸線測量是拱橋檢測關(guān)鍵內(nèi)容，該橋主拱拱軸線測量使用徠卡TS-30型全站儀，采用局部后方交會(huì)法對該橋兩側(cè)的主拱圈進(jìn)行拱軸線測量，測點(diǎn)沿下弦桿下緣布置，將測點(diǎn)三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成下弦桿平面內(nèi)的二維坐標(biāo)，坐標(biāo)系原點(diǎn)為每榀下弦桿的第一個(gè)測點(diǎn)，橫坐標(biāo)正方向?yàn)橛赡舷虮保v坐標(biāo)的正方向?yàn)橛上孪蛏稀?shí)測拱軸線較為平順，未見明顯異常變形。

3 承載能力檢算

3.1 檢算荷載

該橋檢算永久荷載包括結(jié)構(gòu)自重、二期恒載，可變荷載包括人群荷載、拱腳變位、溫度影響力。因該橋建造年代較為久遠(yuǎn)，設(shè)計(jì)荷載等級較低，本次檢算采用《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》[3]中荷載等級最低的汽車荷載汽車-10級進(jìn)行檢算。另外，管理單位欲將該橋改建為人行景觀橋，依據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》[3]規(guī)定，同時(shí)采用人群荷載3.5kN/m2檢算，如不滿足，則降低荷載等級進(jìn)行檢算。

3.2 檢算依據(jù)

本次檢算針對桁架拱片進(jìn)行，檢算中結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)尺寸均以現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果為依據(jù)。根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》[2]，該橋承載能力檢算判式如下：；該橋剛度檢算判式如下：。根據(jù)該橋詳細(xì)檢查和檢測評定的結(jié)果，檢算判式中的各參數(shù)取值；；；；；。

3.3 上部結(jié)構(gòu)檢算

（1）從現(xiàn)場檢查、檢測結(jié)果可知，該橋大量豎桿頂部和底部均有明顯半環(huán)向裂縫，且上弦桿在近豎桿處有較多的結(jié)構(gòu)裂縫，表明主拱有明顯變位，因此本次檢算時(shí)考慮拱腳3cm的水平位移。

（2）根據(jù)現(xiàn)場無損檢測結(jié)果，桁架拱片的混凝土強(qiáng)度推定值分別不小于29.1MPa，檢算時(shí)桁架拱片各項(xiàng)材料指標(biāo)按30號（C28）混凝土取值。

（3）采用橋梁博士（V3.2.0）程序建立單榀桁架拱片有限元平面桿系模型進(jìn)行分析，計(jì)算模型見圖3。

3.4 檢算結(jié)果

3.4.1 承載能力極限狀態(tài)

桁架拱片主要控制截面荷載效應(yīng)最不利組合值及截面承載能力檢算結(jié)果見表1。

注：主拱軸力“+”表示受壓，“-”表示受拉；彎矩“-”表示截面上緣受拉，“+”表示截面下緣受拉。

上表計(jì)算結(jié)果表明，該橋桁架拱片的極限承載能力不能滿足檢算荷載汽車-10級及人群荷載3.5kN/m2的安全承載要求，僅能滿足檢算荷載人群荷載1.0kN/m2的安全承載要求。

3.4.2 正常使用極限狀態(tài)

正常使用極限狀態(tài)下，桁架拱片的剛度驗(yàn)算結(jié)果見表2。

上表計(jì)算結(jié)果表明，在檢算荷載汽車-10級作用下，下弦桿撓度大于規(guī)范允許值，豎向剛度不滿足要求，在人群荷載3.5kN/m2作用下，下弦桿撓度小于規(guī)范允許值，豎向剛度滿足要求。

4 維修加固處理

目前該橋桁架拱片的承載能力不能滿足檢算荷載汽車-10級及人群荷載3.5kN/m2的安全承載要求，僅能滿足檢算荷載人群荷載1.0kN/m2的安全承載要求。對于此類橋梁一般建議拆除重建，考慮到該橋周邊在進(jìn)行景觀改造且拆除重建費(fèi)用較高，向部門建議維修加固后該橋作為景觀人行橋使用。為此本次維修加固主要從提高承載能力、耐久性、使用性方面進(jìn)行維修加固。

（1）為提高橋梁承載能力，確保結(jié)構(gòu)安全主要采取以下維修加固措施：

1）對全橋受力裂縫：裂縫寬度小于0.15mm，采用裂縫灌注膠表面封閉處理；裂縫寬度大于等于0.15mm，采用裂縫灌注膠壓力灌注法進(jìn)行處理。

2）對于全橋桁架拱片豎桿與上、下弦桿連接節(jié)點(diǎn)處，兩側(cè)粘貼異型鋼板進(jìn)行加固，鋼板厚度5mm。外側(cè)鋼板粘貼范圍為節(jié)點(diǎn)圓弧段外20cm，上弦桿內(nèi)側(cè)鋼板緊貼橫隔梁下緣，下弦桿內(nèi)側(cè)鋼板緊貼橫隔梁上緣。

3）為提高拱腳的承載能力，對全橋主拱片兩端拱腳部位，進(jìn)行增大截面法[4]圍套加固。鑿除拱腳加固范圍的混凝土，布置圍套鋼筋，圍套支模澆筑自流平結(jié)構(gòu)加固料，圍套厚度為10cm，圍套范圍長為2m。

4）兩端橋臺(tái)專項(xiàng)維修。自橋臺(tái)至第1排豎桿范圍內(nèi)橋面板及上弦桿全部拆除重筑，為防止橋臺(tái)再次出現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)造成上弦桿脫空，本設(shè)計(jì)在上弦桿及豎桿間新增1根斜桿。兩端橋臺(tái)上部結(jié)構(gòu)維修加固采用整體現(xiàn)澆，兩端橋臺(tái)新增RG-80型型鋼伸縮縫保護(hù)帶一并與上部重筑構(gòu)件整體澆筑。兩端橋臺(tái)加固材料采用自流平加固料澆筑，新筑構(gòu)件通過植筋與原結(jié)構(gòu)連接。

（2）為與周邊景觀協(xié)調(diào)，保證橋梁的耐久性和使用性，主要采取如下措施：

1）對全橋存在的混凝土銹脹、露筋、破損處，先鑿除銹蝕鋼筋表層混凝土至堅(jiān)實(shí)界面并在鋼筋表面涂阻銹劑，然后采用混凝土結(jié)構(gòu)加固用聚合物修補(bǔ)砂漿修補(bǔ)復(fù)原。

2）對全橋橋面加罩3mm厚彩色高強(qiáng)水泥聚合物，增強(qiáng)橋面美觀性。

3）維修加固完成后，對橋梁主拱片外表面涂刷兩遍水泥基滲透結(jié)晶型漿料，提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性。

5 總結(jié)

本次維修加固方案主要是將不能滿足現(xiàn)行規(guī)范安全承載要求的車行桁架拱橋，通過維修加固后改造為景觀人行橋。目前該橋已維修加固完成，運(yùn)營狀態(tài)良好，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，可為同類橋梁加固處理提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]俞同華，林長川，鄭信光.鋼筋混凝土桁架拱橋[M].北京：人民交通出版社，1984.

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[3]中華人民共和國交通運(yùn)輸部.公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2015.

[4]中華人民共和國交通運(yùn)輸部.公路橋梁加固設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2008.

作者簡介：韓平（1988-），女，河南商丘人，碩士，研究方向：橋梁加固設(shè)計(jì)。